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1 前言
在焊接結(jié)構(gòu)鋼的使用中，焊接性是重要的特性之一。近年隨著結(jié)構(gòu)物的大型化，高強(qiáng)度且厚壁材的使用量一直在增加。因此，伴隨高焊接施工效率的大線能量焊接的使用，也強(qiáng)烈要求確保焊縫特性和高性能化，以提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。特別是近幾年，在造船領(lǐng)域集裝箱船超過(guò)8000TEU那樣的大型化和建筑領(lǐng)域大廈的高層化，促使原料鋼材向高強(qiáng)度化和厚壁化發(fā)展，對(duì)其韌性的要求也更加嚴(yán)格。
因此，不僅要確保大線能量焊接金屬特性，且確保鋼板焊接熱影響區(qū)（下稱(chēng)HAZ）的韌性是個(gè)大課題。因在軋制中以TMCP（又稱(chēng)形變熱處理或控軋控冷）技術(shù)進(jìn)行了組織細(xì)化的鋼板，在大線能量焊接時(shí)的受熱循環(huán)中，會(huì)使HAZ的晶粒粗化而顯著降低韌性。
HAZ的組織控制與鋼板組織控制不同，僅控制鋼板的化學(xué)成分是不充分的，故長(zhǎng)期以來(lái)一直在追求如何進(jìn)行與從煉鋼階段的夾雜物控制技術(shù)相結(jié)合的組織控制技術(shù)開(kāi)發(fā)。
在大線能量焊接HAZ的組織控制技術(shù)中，可供利用的夾雜物有以下二類(lèi)：
第一類(lèi)，以Ti氧化物為核心，利用晶內(nèi)F（鐵素體）的組織細(xì)化技術(shù)。
第二類(lèi)，利用了氮化物、硫化物及硼化物的γ晶粒生長(zhǎng)的鎖住（或稱(chēng)釘扎、阻塞）作用和利用F生成能力的組織細(xì)化技術(shù)。
應(yīng)用于大線能量焊接HAZ組織控制技術(shù)的各種夾雜物的分類(lèi)見(jiàn)表1。
表1 各種夾雜物分類(lèi)
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分類(lèi)
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雜雜物
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氮化物系
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TiN、AlN、VN
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硫化物系
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REM(O，S)、Ca(O，S)、CaS+MnS
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硼化物系
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BN、Fe23（CB）6、Fe3(CB)
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2 N化物系夾雜物的利用技術(shù)
用作焊接HAZ組織控制和鋼板組織細(xì)化的代表性N化物系夾雜物，有表1所示的TiN、AlN和VN。其中，用于焊接HAZ韌性改善的，從小線能量焊接到大線能量焊接的整個(gè)焊接領(lǐng)域，用得最早最多的是TiN。TiN所起的作用一是能抑制γ晶粒粗大化；二是促進(jìn)F生成能力。但早先研究的主要是前者，在由Ostrobvskaya進(jìn)行的大線能量電渣焊接HAZ韌性的改善中，開(kāi)始是向鋼中加入0.010％～0.012％的Ti、0.0026％～0.0036％的B。其后對(duì)TiN加入量和粒子尺寸的討論很活躍，并查明了以下事實(shí)：0.05μm以下尺寸的TiN量和1400℃加熱時(shí)的γ晶粒直徑相關(guān)。將TiN的體積（百）分率和尺寸定量化，γ晶粒直徑可用r/f（r為T(mén)iN平均粒子直徑，f為T(mén)iN體積分率）進(jìn)行整理，即TiN量的增大或其尺寸減少都能將γ晶粒直徑（r/f）細(xì)化。
AlN的利用技術(shù)是使比一般的Al鎮(zhèn)靜鋼有更多量的AlN析出而謀求的細(xì)晶粒化處理，主要是用于淬火-回火鋼，但因在大線能量焊接HAZ熔合線附近長(zhǎng)時(shí)間處于1400℃以上高溫，故基本上沒(méi)有見(jiàn)到AlN粒子鎖住γ晶粒長(zhǎng)大的效果。
在大線能量焊接HAZ中的AlN利用技術(shù)，是在焊接熱循環(huán)的冷卻過(guò)程中利用AlN的析出，以將HAZ基體組織高韌化的韌性改善技術(shù)。即是以加入低N-Ti為基礎(chǔ)，在鋼中先加入可溶Al，在焊接熱循環(huán)的冷卻過(guò)程中將游離N固定為AlN，并利用位錯(cuò)的粘結(jié)作用，減少劣化韌性的游離N的技術(shù)。因?qū)附訜嵫h(huán)過(guò)程中的游離N和全N量的定量測(cè)定，確認(rèn)AlN在600～850℃范圍析出。
因VN與AlN同樣熔點(diǎn)低，故不能作為對(duì)γ晶粒長(zhǎng)大的鎖住粒子而加以利用，但從界面能的觀點(diǎn)來(lái)看，其F生成能力與TiN處于同等水平，故進(jìn)行了各種各樣的有關(guān)晶內(nèi)相變的研究。如在超厚H型鋼的生產(chǎn)中，向鋼中加入V和N而利用了控軋中的VN向A的應(yīng)變感應(yīng)析出，以析出的VN為核心促進(jìn)了F生成，從而細(xì)化了鋼的組織。另外，有研究稱(chēng)，VN在晶界的優(yōu)先析出，更是促進(jìn)了晶界F的析出。
總之，關(guān)于N化物粒子的利用技術(shù)，以上介紹了多方面的內(nèi)容。但獲得廣泛利用的線能量焊接HAZ組織控制技術(shù)基本上是以TiN作為基礎(chǔ)技術(shù)。至于AlN，則是從F生成能力的角度，利用游離N的固定以及與TiN等的復(fù)合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)基體組織的高韌性化。
3 S化物系夾雜物的利用技術(shù)
作為S化物系夾雜物，多以REM的（O，S）化物和S化物為研究對(duì)象。原來(lái)，因鋼板生產(chǎn)工藝是模鑄-開(kāi)坯-軋板，鋼錠凝固速度慢，在生產(chǎn)加Ti鋼時(shí)TiN粒子難以細(xì)小分散，故有TiN無(wú)法確保大線能量焊接HAZ韌性的問(wèn)題。為此，進(jìn)行了Ca和Ce（鈰）元素復(fù)合添加效果的研究，有報(bào)告稱(chēng)在焊接熔合線附近（即焊接金屬/HAZ的界面）韌性得到了顯著改善。其原因是Ca促進(jìn)了F·P（鐵素體·珠光體）相變和Ce（稀土元素）的S化物系夾雜物球化共同作用的結(jié)果。
如上所述，利用Ca和REM的（O，S）化物和S化物可直接或間接促進(jìn)F相變，并抑制γ晶粒粗大化，通過(guò)金相組織的細(xì)化而實(shí)現(xiàn)了大線能量焊接HAZ的高韌性化。
4 B的利用技術(shù)
較之其他合金元素，B在鋼中的擴(kuò)散速度快，焊接熱循環(huán)時(shí)可在HAZ范圍產(chǎn)生大的移動(dòng)，因而其作用復(fù)雜，控制也非常困難。
B在鋼中有以下基本作用：
一是以BN的形式成為F的生成核；
二是降低γ晶界的界面能而抑制晶界F的生成。
前者利用與REM（O，S）夾雜物的復(fù)合化而起到了F生成核的作用，同時(shí)作為固定了固溶N的BN，也兼?zhèn)淞藢⒒w組織高韌化的功能。此固溶N的降低效果雖與AlN的生成相同，但因B的擴(kuò)散速度快，故其作用更有效。而后者作為固溶B的γ晶界的偏析，促進(jìn)了晶內(nèi)F生成，向焊接金屬中加入Ti-B，已被有效用于促進(jìn)針狀F的生成機(jī)理中。
另外，有研究報(bào)告稱(chēng)B作為Fe的（C，B）化物而被利用。在TiN+MnS的析出部周?chē)荈e23（CB）6和Fe3（CB）等的析出而形成了C的稀薄帶（又稱(chēng)貧乏層），從而促進(jìn)了F相變。這里因在Fe的（C，B）化物的析出過(guò)程中開(kāi)始晶內(nèi)F相變，故C的稀薄帶沒(méi)有消失。
如上所述，在實(shí)現(xiàn)高韌性化方面，加入的B是明顯促進(jìn)晶內(nèi)F生成的有益元素，也是微量添加即能最有效提高淬透性的元素。因此，如何控制其利用技術(shù)（加入方法和加入量等），以避免出現(xiàn)提高淬透性而降低韌性的情況，可以說(shuō)既很重要但又不簡(jiǎn)單。
通過(guò)改變加入B量和可溶鋁量，利用再加熱循環(huán)試驗(yàn)，求出了最高加熱溫度和韌性的關(guān)系：最高加熱溫度為1350℃時(shí)，在TiN能熔解的焊接熔合線附近區(qū)域由B和固溶N結(jié)合而析出BN，從而促進(jìn)了F生成和固溶N的減少，都有提高韌性的效果；但在稍稍離開(kāi)熔合線的（供B量易過(guò)剩）區(qū)域（溫度<1150℃），因TiN未熔解、固溶N少，B可提高淬透性，但卻促使韌性下降。因此，有研究報(bào)告稱(chēng)其對(duì)策之一是減少可溶鋁的添加量，即僅在熔合線附近加B（因在無(wú)固溶N的區(qū)域加B會(huì)提高淬透性而劣化韌性）。為此，最近還開(kāi)發(fā)了從焊接金屬材料向HAZ進(jìn)行B擴(kuò)散的實(shí)用技術(shù)。
利用B擴(kuò)散的HAZ組織控制技術(shù)著眼于在大線能量焊接金屬部位為了抑制晶界F生成而加入的B，使之在焊接時(shí)向HAZ側(cè)擴(kuò)散，以便在焊接金屬與鋼材焊合中控制適當(dāng)B量，以B發(fā)揮固定N（生成BN）的作用，確保整個(gè)HAZ的良好韌性。
B的利用技術(shù)是多方面的，關(guān)鍵是選擇合理的方式，并對(duì)添加量進(jìn)行嚴(yán)格控制，以達(dá)到興利除弊的目標(biāo)。
5 結(jié)語(yǔ)
目前，在造船和建筑領(lǐng)域已廣泛使用了大線能焊接用厚板。
以合金元素加入量實(shí)現(xiàn)了最佳化的TiN鋼為基礎(chǔ)，在有效利用了B、Ca添加技術(shù)的鋼材顯微組織中，利用夾雜物的作用獲得了F主體組織。然而，除原有的夾雜物控制技術(shù)之外，今后如何確保高強(qiáng)度材和厚壁材，在大線能焊接部位的必要韌性，預(yù)計(jì)將是困難的。
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